Interfaccia Cervello-Computer

onde celebrali

Da qualche tempo ho scoperto di avere una passione per le interfacce Uomo-Macchina, tra le altre l’interfaccia Cervello-Computer o BCI (Brain Computer Interface) è quella che ha destato particolarmente il mio interesse. Di seguito tenterò di illustrare il principio che si cela dietro questa interfaccia, e come sia possibile passare dal pensiero alla manipolazione dell’ambiente circostante senza azioni meccaniche da parte dell’uomo.

La storia

Nel 1929 Hans Bergher scoprì che fra gli elettrodi posti sul cuoio capelluto vi era una piccola differenza di potenziale elettrico, la scoperta fu in seguito perfezionata da Herbert Jasper che mise a punto la tecnica oggi nota come Elettroencefalografia. Inizialmente utilizzata soprattutto per studiare il sonno, questa tecnica attualmente ci permette di studiare in profondità l’attività cerebrale, alla ricerca dei meccanismi che stanno alla base del funzionamento del sistema nervoso centrale umano.

La Teoria

Nei laboratori di bio-ingegneria ormai da anni si fanno esperimenti sulla comunicazione diretta fra cervello (o parti funzionali del sistema nervoso centrale) e computer, basati sugli studi di Bergher e Jasper che hanno dimostrato come l’attività elettrica del cervello sia in stretta relazione con gli stati mentali e che il sistema nervoso centrale si avvale di segnali elettrici per elaborare informazioni e comunicare con il sistema nervoso periferico.

L’interpretazione del tracciato elettroencefalografico passa attraverso lo studio delle “onde cerebrali” derivate applicando la trasformata di Fourier al segnale registrato dagli elettrodi, facendolo così passare dal dominio del tempo a quello della frequenza, permettendone l’analisi armonica.

L’analisi armonica dello spettro ottenuto dal segnale elettroencefalografico ha una larghezza di banda di 70Hz, in cui si distinguono nove intervalli utili di frequenza:

  • Delta (0 – 4 Hz)
  • Theta (4 – 8 Hz)
  • Alpha
    • Low Alpha (8 – 10 Hz)
    • High Alpha (10 – 12 Hz)
  • Beta
    • Low Beta (12 – 18 Hz)
    • High Beta (18 – 20 Hz)
  • Gamma
    • Low Gamma (30 – 50 Hz)
    • High Gamma (50 – 70 Hz)

studi empirici hanno permesso di associare questi intervalli di frequenza ad alcune attività cerebrali:

Onde DELTA (0 – 4 Hz)

Sono le onde cerebrali più lente, normalmente associate a profondità interiore, a sonno senza sogni. L’attività delle onde delta è il ritmo dominante nei neonati e decrementa nel corso della vita. Circa all’età di 75 anni, le onde delta, così come la fase più profonda del sonno, possono essere interamente assenti. Una naturale diminuzione dell’attività delta si ha ad esempio quando cerchiamo di concentrarci, mentre un incremento delle stesse è associabile ad una diminuita consapevolezza del mondo fisico, ed all’accesso alle informazioni della mente inconscia. Interruzioni nell’attività delle onde delta sono tipiche di vari disordini mentali, come disordini del sonno o dell’attenzione.

Onde Theta (4 – 8 Hz)

le onde Theta sono associate ad un profondo relax, sonnolenza, e sonno. Tale attività può essere rilevata anche in bambini nello stato vigile. L’attività delle onde Theta, è maggiore durante quelle attività cosi “automatiche”, da non richiedere particolare concentrazione per il loro svolgimento. Attività come la guida in autostrada, fare una doccia o una profonda meditazione, sono un esempio di tempo trascorso nello stato di alta attività Theta. Questo stato è associato anche all’accesso ad informazioni e materiale inconscio, ispirazioni creative e libero flusso di idee. I bambini tendono ad avere una più alta attività delle onde Theta rispetto agli adulti. Una intensa attività Theta in adulti nello stato vigile è molto rara. Una eccessiva attività Theta può essere collegata ad un povero processo decisionale, impulsività e lenti tempi di reazione.

Onde Alpha

Le onde Alpha costituiscono il ritmo principale riscontrato in adulti rilassati.

Queste onde sono associate ad un rilassamento vigile (uno stato di rilassamento e consapevolezza senza attenzione o concentrazione), l’attività delle onde Alpha in un range normale è associabile a buon umore e calma. Le onde Alpha sono anche associabili ad una aumentata consapevolezza di se. Imparare a persistere nello stato di alta attività Alpha è utile a migliorare la meditazione, l’apprendimento di nuove informazioni, il sollievo dello stress, come pure l’elaborazione di compiti difficili. L’attività delle onde Alpha può essere aumentata chiudendo gli occhi e respirando profondamente, mentre può essere ridotta da un suono improvviso o sconosciuto, da ansia, da concentrazione mentale, attenzione, sonnolenza o semplicemente aprendo gli occhi.

L’intervallo di frequenze Alpha può essere suddiviso in due sotto intervalli, Onde Low Alpha (8-10 Hz) e Onde High Alpha (10-12 Hz):

Onde Low Alpha (8-10 Hz): sono associate a rilassamento e svago, imparare nuove informazioni, attraverso la memorizzazione senza comprensione.

Onde High Alpha (10-12 Hz): sono associabili ad un “corpo calmo” ed una mente vigile e concentrata, come prima di un compito che richieda attenzione, sono anche associate ad una aumentata attenzione, consapevolezza e stabilità mentale.

Onde Beta

L’attività delle onde Beta rappresenta il normale ritmo del cervello associato ad un pensiero “attivo”, all’attenzione e concentrazione sul “mondo esteriore”. Le onde Beta sono più intense quando la mente è ingaggiata in attività impegnative, come soluzione di problemi complessi o processi decisionali. Una elevata attività delle Onde Beta è rilevata anche quando ci si sente agitati, tesi o impauriti.

Anche l’intervallo di frequenze Beta può essere diviso in due sotto intervalli, Onde Low Beta (12-18 Hz) e Onde High Beta (18-30 Hz):

Onde Low Beta (12-18 Hz): le onde Low Beta sono associate a pensiero mirato, attivo e concentrato, ad uno stato fisicamente rilassato ma mentalmente in allerta. Sono associabili a compiti mentalmente impegnativi, come la lettura, l’apprendimento della matematica e la risoluzione di problemi. Le onde Low Beta sono anche coinvolte nei picchi di performance degli atleti professionisti.

Onde High Beta (18 – 30 Hz): l’attività delle onde High Beta è associata ad uno stato di allerta e agitazione. Un alto livello di onde High Beta è rilevabile quando ci si trova in uno stato di panico. Le onde High Beta sono associate anche ad ansia, pensiero eccessivo e comportamenti di tipo ossessivo compulsivo.

Onde Gamma

Le Onde Gamma sono coinvolte nei processi cognitivi, di consolidamento delle informazioni o nelle intuizioni improvvise. Un elevato aumento dell’attività delle onde Gamma è associato ad intelligenza, compassione ed autocontrollo. Una correlazione tra Onde Gamma e stati mentali trascendentali, è stata trovata studiando le emissioni di onde cerebrali in monaci Buddisti Tibetani,  in cui è stata osservata una elevata attività Gamma, prima, durante e dopo la meditazione.

Come per i precedenti anche l’intervallo di frequenze Gamma può essere diviso in due sotto intervalli, Onde Low Gamma (30-50 Hz) e Onde High Gamma (50-70 Hz):

Onde Low Gamma (30-50 Hz): sono associate all’apprendimento ed alla pulizia mentale, una ben regolata ed efficiente attività Gamma a 40 Hz è associata ad una buona memoria e una buona capacità nel risolvere i problemi, sia in soggetti adulti che in bambini.

Onde High Gamma (50-70 Hz): sono associate a funzioni cognitive come ascoltare, leggere o parlare. Una diminuzione dell’attività delle onde High Gamma viene associata a declino cognitivo.

Interfaccia Cervello-Computer (BCI)

Per mezzo della tecnologia elettroencefalometrica, che misura la potenza del segnale elettroencefalografico alle varie frequenze, e quindi l’ampiezza di ogni singola onda cerebrale, l’attività del sistema nervoso centale (stato mentale) viene “catturata” e codificata dal computer, attraverso la definizione di pattern di onde cerebrali. L’uomo seguendo un percorso di trainig mentale, allena il cervello a persistere in stati mentali definiti. L’associazione di questi stati mentali definiti (pattern di onde cerebrali) ad altrettanti comandi, permette al computer di eseguire compiti complessi comandati semplicemente pensando. L’interfaccia Cervello-Computer applicata ad esempio al controllo di robot, consente loro di compiere azioni sulla base di comandi impartiti mentalmente.

Degno di nota è un recente esperimento che ha implementato la BCI in alcuni “esoscheletri”. L’esoscheletro utilizzato come protesi, supporta fisicamente portatori di handicap motori, che comandano lo scheletro elettromeccanico di supporto semplicemente pensando al movimento da compiere, permettendogli di sopperire  alle capacità deficitarie. Durante la cerimonia di apertura dei mondiali di calcio FIFA – Brasile 2014, un ragazzo paraplegico (completamente paralizzato) ha potuto dare il calcio d’inizio grazie all’ausilio di uno di questi esoscheletri.

Negli ultimi periodi, la comunità internazionale dei “Maker” si sta impegnando attivamente nello sviluppo di Brain Computer Interface a basso costo, proponendo una quantità di progetti open source, che hanno permesso di portare la BCI al di fuori dei laboratori di ricerca, e di fornire al mondo degli appassionati di tecnologia l’opportunità di implementare l’interfaccia Cervello-Computer nei dispositivi da loro disegnati.

Ci troviamo solamente agli esordi di questa tecnologia, che come facilmente intuibile, ha potenzialità enormi, e che non mancherà negli anni a venire di riservarci entusiasmanti quanto straordinarie sorprese.

©2014, Mariano Neroni.